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ELETRÔN ICA DE POTÊN CIA CENTRO DE F ORMA ÇÃO PROFIS SIONA L PED RO MAR TINS GUE RRA Itabira 2005 Presidente da FIEMG Robson Braga de Andrade Gestor do SENAI Petrônio Ma chado Zica Diretor Regional do SENAI e Superintendente de Conheciment o e Tecnologia Alexandre M agno Le ão dos Santo s Gerente de Educaçã o e Tecnologia Edmar Fernando d e Alcântara Elaboração/Organização Eugênio Sérg io de Ma cedo Andrade Unidade Operacional Centro de Forma ção Profissional Pedro M artins Guerra Revisão Equipe Técnica - Centro de For mação Profissional Pedro M artins Guerra Itabira/MG 2005 S S u u m m á á r r i i o o A PRESENTAÇÃO ........ ......... .......... ......... .......... ......... ......... .......... ...... ........... INTRODUÇÃO ..... ......... .......... ...... ......... .......... ......... .......... ......... ......... .......... 1. DIODOS ........ ......... .......... ......... ......... .......... ......... ...... .......... ......... ............. . 1.1 Diodos Schottky ....... ......... ......... .......... ......... .......... ......... ......... .......... ... 1.2 Diodos de Linha .......…..……………… ……………………………… …… 1.3 Diodos Rápido s ........ .......... ......... ......... .......... ...... ......... .......... ......... ...... 2. TIRISTORES ........... .......... ......... ...... .......... ......... ......... .......... ......... ......... ... 2.1 SCR ..... .......... ......... ......... .......... ......... ...... .......... ......... .......... ......... ....... 2.2 TRIAC ... .......... ......... ......... .......... ......... .......... ......... ......... .......... ...... ...... 3. CHA VES CONTROL ÁVEIS ... ......... ......... .......... ......... ...... .......... ......... ....... 3.1 GTO ... .......... ......... ......... .......... ......... .......... ...... ......... .......... ......... ......... 3.2 IGBT – Transistor Bipolar de Porta Isolada ............... ......... ...... ......... .... 4. UJT .... .......... ......... ......... .......... ......... ......... .......... ......... .......... ...... ......... ...... 4.1 Gerador es de Pulsos: Circuitos de Dispa ro Para Tiristores ............... ... 4.2 Gerador de Pulsos Sincroniz ado com a Alimentação .............. ...... ........ 5. CIRCUITO INTEG RA D O TCA 780/785 ....... ......... ...... .......... ......... ......... .... 5.1 Análise de Blocos e Funci onamento 6. RETIFICADORES ........... ......... .......... ......... ......... .......... ...... .......... ......... .... 6.1 Retificadores Não Con trolados ............. .......... ......... .......... ......... ......... .. 6.1.1 Retificador Trifásico ½ Onda Não Controlad o .......... .......... ......... . 6.1.2 Retificador Trifásico Onda Completa Não Controla do ......... ........ 6.2 Retificadores Controlad os . ...... .......... ......... ......... .......... ......... ......... ...... 6.2.1 Retificador Trifásico ½ Onda Controlado . .... .......... ......... .......... ... 6.2.2 Retificador Trifásico Onda Completa Totalmente Controlado ...... ........ 6.2.3 Retificador Trifásico Onda Completa em Ponte Mista ............ ..... 6.3 Resumo de Fórmulas de Retificado res ....... .......... ......... ......... .......... ... 7. INVERSORES ......... ......... .......... ...... ......... .......... ......... ......... .......... ......... ... 7.1 Inversores Não Autônomos ........ ......... ......... .......... ......... ......... .......... ... 7.2 Inversores Autôn omos ...... ......... ......... .......... ...... ......... .......... ......... ....... 7.3 Modu lação PW M ...... .......... ...... ......... .......... ......... ......... .......... ......... ...... 7.4 Inversores M onofásicos .......... ......... ......... .......... ......... ......... .......... ....... 7.5 Inversores T rifásicos .......... ......... ......... .......... ......... .......... ...... ......... ...... 8. EXEMP LO DE A PLICAÇÃO ............... .......... ......... ......... .......... ......... ......... 8.1 A Evolução do Con trole de Velocida de .......... ......... .......... ......... ......... .. 8.2 O Con trole E scalar ... ...... .......... ......... .......... ......... ......... .......... ......... ...... 8.3 O Modo de Controle Vetori al ........ ...... .......... ......... ......... .......... ......... .... 9. FONTES CHAVEA DAS .............. ...... .......... ......... ......... .......... ......... .......... .. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA S ...... ...... .......... ......... .......... ......... ......... .... 04 05 07 09 09 09 11 11 16 18 18 19 24 26 28 30 31 42 42 42 45 46 46 50 51 54 56 56 57 58 61 65 67 67 68 72 77 80 Elétrônica de Potênci a ______________________________________ ______________________ ____________________________ ________________________________4/4 Mantenedor Eletroeletrôni co A A p p r r e e s s e e n n t t a a ç ç ã ã o o “Muda a forma de trabalhar, agir, sentir, pensar na chama da sociedade do conhecimento”. Peter Drucker O ingresso na socieda de da inform ação exige mudança s profundas em todos os perfis profissionai s, especialmente naqueles diretamente envolvidos na pro dução, coleta, disseminação e uso da informação. O SENA I , maior red e privad a de e ducação profissiona l do pa í s, sabe disso , e consciente do seu papel f ormativo , educa o trab alhador sob a égide do c onceito da competência :” form ar o profissional c om responsabilidade no proce sso produtivo, com iniciativ a na res olução de problem as, com conheci m entos técnicos aprofundados, flexibilidad e e criativi dade, empr eende dorism o e consciê ncia da necessidade de educaçã o continuada . ” Vivemos numa socieda de da i nformação. O conhe cimento, na sua área tecnológica , am plia-se e se m ultiplica a cada dia. Uma constante atualização se faz necessária . Para o SENAI , cuidar d o seu acervo bi bliográ f ico, da sua i nfovia, da conexã o de suas escolas à rede mundial de inf ormações – internet- é tão importante quan to zelar p ela prod ução de material didático. Isto porque , nos em bates diários, instrutores e aluno s, nas diversas oficinas e laboratór ios do SEN A I , f azem com que as informações, contidas nos m ateriais didáticos, tomem sentido e se co ncretizem em múltiplos conhe cimentos. O SENA I desej a, por meio dos diverso s materiais didáticos, aguça r a sua curiosidad e, respond er às suas dem anda s de inf ormações e construir links entre os diversos conhe ci mentos, tão importantes para sua formação continu ada! Gerência de Educaçã o e Tecnologia Elétrônica de Potênci a ______________________________________ ______________________ ____________________________ ________________________________5/5 Mantenedor Eletroeletrôni co I I N N T T R R O O D D U U Ç Ç Ã Ã O O Os dispositivos semicondutore s de potência, também chamados interrupto res estáticos, constituem parte fundamental dos conver sores de potência. Operando como chaves, eles atuam sobre o f luxo de energia elétrica com um mí nimo de perdas. Recentemente, a tecnolo gia de dispositivos de potê ncia sof reu grandes avanços. Novo s tipos de i nterrup tores co m maiores ca pacidad es de tensã o e corrente, m aiores velocidades e maior facilidade de controle f oram desenvolvidos, o que não somente viabilizou o emprego de conversore s em novas aplicações como também possibilitou o sur gimento de novas top ologias d e conversores. Em princípio, os interruptores de potênci a podem ser agrupado s em três classes principai s: − Diodos: possuem ligamento e desligamento depende ntes do circuito de potência ; − Tiristores: po dem ser ligado s pelo c ircuito de com ando, mas seu desliga mento depen de do circuito de potência; − Chaves Controláveis : podem ser l igada s ou desliga das pelo circu ito de comando. O SCR e o TRIAC são os componen tes que represe ntam a classe de ti ristores de potência. Na classe de chaves control áveis de potên cia se enqua dram o BJT – Bipolar Tra nsistor ou transistor b ipolar, o GTO – Gate Turn O f Thy ristor, o Power MOSFET e o IGBT – Insu lated Gate Bipolar Transi stor. Há também outros componentes em desenvolvimento, como o MCT – MOS C ontroled Thyristor, mas ainda não disponíveis comer cialmente em larga escal a. A tabela seguinte resume as características dos interruptores de potência com relação a con trolabilid ade do liga m ento e desliga mento. DESLIGA ME NTO (BLOQUEI O) Espontâneo Comandado Espontâneo Diodo Tiristor – Dual LIGA M ENTO (DISPA RO ) Comandado SCR, TRIAC BJT, IGBT, GTO, MCT Tabela 1 Os semicondutores de potência possuem características estáticas e dinâmicas. As características estáticas referem-se ao com portamento do componente sob condições de corrente e tensão fixas, isto é, sua característica v x i. As características dinâ micas referem-se aos p rocessos de ligamento e desligamento do componen te, isto é, v x t e i x t. Mesmo operan do como chaves, os interruptores estáticos reais apresentam perdas qu e podem ser de nominadas: Elétrônica de Potênci a ______________________________________ ______________________ ____________________________ ________________________________6/6 Mantenedor Eletroeletrôni co − Perdas por condução : são causadas pelas queda s de tensão no estado de conduçã o do disposi tivo; − Perdas por comutação: s ão causada s pelos tempos não nulos de chaveamento , durante o s quais ocorre m ten sões e corre ntes ele vadas simultaneamen te nos dispositivo s. E m altas freqüências estas per das tornam- se significativas e podem limitar a máxima freqüência de t rabalho do conversor; − Perdas por cor rente de fuga: sã o causadas pelas correntes de fuga no estado de bloqu eio dos dispositivos. Est a perda normalmente é muito pequena e por isso despre zada . Cada dispositivo apresenta particularidade s que os tornam adequado s ou não a determinada aplicação . A seguir será apre sentado o estudo mais detalhado de cada disposi tivo semicondutor d e potência. Elétrônica de Potênci a ______________________________________ ______________________ ____________________________ ________________________________7/7 Mantenedor Eletroeletrôni co 1 1 . . D D I I O O D D O O S S Observe a figura segui nte. Figura 1.1 – Característica estática do di odo ideal. No caso real, qu ando o dio do está diretamente polarizado , apenas uma peque na queda de tensão direta f ica sobre seus terminais (de 1V a 2V nos diodos de potência, aproximadamente ). Quando o diodo está reversamente polarizado , apenas uma pequ ena corrente de f uga flui de catodo para anodo . Em am bos os casos ocorrem perda s por cond ução e por cor rente de fuga, resp ectivamente. O p rocesso de ligamento do diodo é extremamente rápido e s e aproxima do caso ideal. Os manuais dificilmente traz em informações sobre os tempos de lig amento. Mas, na com utação, o diodo apresenta o fenômeno chamado recupera ção reversa, que ocorre durant e o intervalo chamado tempo de recupe ração reversa , ou trr. Durante a re cuperação reversa, a corr ente no diodo se inverte para depois se anular. Isso ocorre por causa do acúmulo de portadores m inoritári os na junção, que constitue m a c arga chamada Qrr. Esta carga é retirada da junção pela corrente negativa, que é forçada pela polarização reversa aplica da ao diodo. A figura seguin te ilustra a caracter ística dinâmica de deslig amento do diod o. Figura 1.2 – Processo de desligamento do diodo i D v D 0 Elétrônica de Potênci a ______________________________________ ______________________ ____________________________ ________________________________8/8 Mantenedor Eletroeletrôni co A carga armazen ada na junção pode ser associada a um a capacitância, chamada capacitância de ju nção, C T . No interva l o ta mostrado na figura, C T é descarreg ada, e no inter valo tb é carreg ada até o v alor da tensão reversa aplicada . No fim do intervalo tb é atingido o pico da corrente de recuperação reversa, a I RRM. Esta corrente ju ntamente com o trr são parâ m etros muito importantes a serem considera dos no proj eto de conversore s estáticos de potência. Depend endo do caso, a I RRM pode ser inclusive m aior do que a corrente direta I F que estava sendo conduzida antes do bloque io. A carga Q rr é a área sob o gráfico durante trr , e é dada po r: Q rr = t rr . I RRM 2 A t axa de decrescimento da corrente, di F / dt, está diretamente relacionada com o pico da corrente de recuperação reversa, I RRM . Quanto m aior a taxa de decrescimento da corrente, maior é I RRM . Na prática, o val or de di F /dt é determinado pela tensão e pela indutância série do circuito no qual o diodo está submetido, conforme a equaçã o di F = -V S dt L Durante o intervalo tb, f icam presentes sobre o diodo tensões e correntes elevadas, ocorrendo, portanto perdas por comutação. Quanto m aior trr, maiores as perdas. A inevitável pre sença de indutâncias parasitas no circuito e da capacitância de junção provoca a geração de oscilações de tensão e corrente no circuito, devido ao corte abrup to da corrente de recuperação I RRM . E stas oscilações (“ringin g”) são prejudici ais, pois geram pe rdas nas resistênci as série do c ircuito e também interferência el etromagn ética (EMI). Por isso, as indutân cias para sitas devem ser minimizadas, o que se obtém reduz indo ao máximo o comprimento da s ligações. Do ponto de vista construtivo, há dois tipos de diodos de potência: os diodos P N e os diodos Schottky. Os diodos PN são constituíd os pela junção de dois semicondutor es (P-N), enquanto os diodos Schottky são f ormados por um a junção metal- semicond utor. Os dio dos Schottky apresentam quedas de tensão direta muito menores do que os diodos PN, da ord em de 0,3V a 0,8V ape nas, contra 1V a 2,2V dos dio dos PN. Além disso, por serem dispositivos de portadore s majoritários, são muito mais rápidos. Entretanto, os diodo s Schottky não suportam tensões reversas elevadas, e somente são encon t rados pa ra tensões até 10 0V. Elétrônica de Potênci a ______________________________________ ______________________ ____________________________ ________________________________9/9 Mantenedor Eletroeletrôni co A f igura seg uinte ilustra o sím bolo d os diodos PN e Schottky . Figura 1.3 – Símbolos dos Diod os PN e Schottky 1.1 DI ODOS SCHOTT KY Devido à sua pequena queda de tensão direta e alta velocidad e, são muito empregado s em converso res com pequ enas tensões de saíd a (fontes chaveadas e conversores CC-CC). S ão disponíveis com especificações de tensão até 100V e especificações de corrente desde alguns ampères até centenas de ampères nos dispositivos de m enor ten são. 1.2 DI ODOS DE FREQÜÊNCIA DE LINHA Ou simplesmente dio dos d e linha, são projetados para possuírem a m enor queda de ten são direta possível, a f im de minimizar a s perdas por cond ução, e por isso são bastante l entos (“Stan dard recovery ”). Entretanto , como ope ram em 50 ou 60 Hz, seu tempo de comutação não é crítico, e usualmente os manuais de fabricantes não o especificam. Esses diodos podem suportar tensões de até vários Kilovolts e corre ntes de vários Kiloa mpères. 1.3 DI ODOS RÁPIDOS Esses diodos são projetados para operar em altas f reqüênci as, possuindo tempos de recuperação reduz idos. A designação “Soft-recovery ” é utilizada para indicar que o componente possui reduz ida taxa de variação da corrente no intervalo tb da característica dinâmica. Isto é im portante para minimizar sobreten sões (“ringing”) nas indutâncias série parasitas do circuito. Com relação ao tem po de recuperação reversa, os dio dos rápido s podem ser sub-classi f icados co mo: − Fast Recovery : Possuem t rr de 200n s a 2  s; − Ultrafast Recovery : Possuem t rr menores que 100ns. Para efeito ilustrativo, a tabela seguinte mostra os dados principais de alguns diodos de po t ência comercia is. Elétrônica de Potênci a ______________________________________ ______________________ ________________________ ____________________________________10/10 Mantenedor Eletroeletrôni co Código V RRM I FAV V F T rr Diodos de li nha 1N 5408 SKN100/12 SKN6000/06 800V 1200V 600V 3 A 125 A 6000 A 1,2V 1,55V 1,3V - - - Diodos Ráp idos SKN3F20/8 SKN340F/18 BY359-1 500 800V 1800V 1500V 20 A 400 A 6,5 A 2,15 1,9V 2,6V 250n s 2200ns 600n s Diodos Ultra-R ápidos UF4007 MUR840 BYT16P-400 RHRG30120 1000V 400V 400V 1200V 1 A 8 A 16 A 30 A 1,7V 1,25V 1,5V 2,25V 50ns 50ns 35ns 70ns Diodos Schottky MBRD835L IN5822 STPS12045TV 35V 40V 45V 8 A 3 A 60 A 0,41V 0.52V 0,67V - - - Tabela 1.1 A seguir estão os signi ficados dos parâ metros mais im portante s: V RRM V RSM V R ou PIV V F I FSM I FM ou I FRM I F ou I FAV I FRMS i 2 t I R t rr I RM Q rr P TOT T J R thjc ou R θ JC r T C T L S − Tensão reversa repetiti va − Tensão reversa não repetitiv a − Tensão reversa con tínua − Queda de tensão direta com o diodo em condução − Corrente de surto direta não repetitiva (único) − Corrente de surto direta repetitiva − Valor médio da corrente direta − Valor eficaz da corrente direta − Este valor é utilizado para selecio nar o f usível de pr oteção, que deve possuir um i 2 t menor do que o do diodo. − Corrente reversa máxima (corrente de fuga) − Tempo de recuperação reversa − Pico da co rren te de recuperação reversa, é dado para valores de temperatura, I F e di F / dt específicos. − Carga que flui para o circuit o durante o intervalo trr. − Dissipaç ão de potência no diodo. − Faixa de temperatura de operação da junção. − Resistênci a térmica entre a junção – encapsula mento em º c/w. − Resistênci a ôhmica do diodo. − Capacitância de j unção. − Indutância série.

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